流变岩体中椭圆洞室断面开挖过程的力学分析

给出了黏弹性流变岩体中深埋椭圆隧洞断面开挖过程中力学响应的解析解答。通过设定长短半轴随时间变化的函数可模拟施工过程。首先,结合变边界黏弹性问题对应关系和平面弹性复变方法,求得岩体应力及开挖引起位移的统一表达。在推导中,通过建立逆映射函数,分离出参与Laplace变换的时间。然后,对模拟为Boltzmann黏弹模型的岩石材料,给出了积分形式的位移表达式。最后,针对不同类型岩石进行不同开挖方式和速度下无量纲位移及应力的参数分析。分析表明,施工方式对位移与应力有明显影响。给出的解析解答可用于地下椭圆孔型隧道在开挖过程中的力学分析,并可作为实际工程初步设计的手段。

内压对管状双椭圆洞室围岩应力影响的解析解

以管状双椭圆高水压洞室围岩应力为研究对象,将该问题简化为混合边界的双椭圆孔平面应力计算模型。基于平面弹性复变理论,通过保角映射、Cauchy积分及留数定理等方法,求解了具有单椭圆内压孔的两个平面应力复势函数;采用Schwarz交替算法,推导了具有双椭圆内压孔无限平面内任一点的应力分量表达式。据所得表达式,编制了Matlab计算程序,研究了无限平面含双洞室或双椭圆洞室的4个算例,分析了内压及两孔相对位置对围岩应力的影响。研究结果表明:两洞室均无内压时,水平对称双椭圆洞室的左孔口0°(或右孔口180°)处有最大切向应力;各孔口的最大或最小切向应力均随内压的增大而减小;当两孔中仅一孔含内压时,两孔孔口应力随内压的增大而或增或减,具体视孔壁位置而定。

动载与长轴位置关系对椭圆形洞室围岩冲击岩爆影响试验研究

为探究扰动荷载与椭圆形洞室长轴的相对位置关系对冲击岩爆特征的影响机制,采用含椭圆形孔洞的长方体试样,在真三轴加载条件下,设置了扰动方向与椭圆长轴平行和垂直的两种位置关系,开展了椭圆形洞室冲击岩爆试验。结合录像装置,从岩爆弹射破坏过程、弹射速度、破坏模式及碎屑尺度几个方面讨论了椭圆形洞室冲击岩爆特征差异。试验结果表明,两种不同位置关系的试样岩爆过程相同,并且爆坑都呈现出V字型。扰动方向与椭圆长轴垂直的试样在初始破坏应力、岩爆破坏应力、岩爆弹射速度,爆坑尺寸、碎屑质量以及粗粒碎屑占比上均要小于扰动方向与椭圆长轴平行的试样。扰动方向与椭圆长轴垂直的试样的碎屑特征主要表现为薄片长条状。扰动方向与椭圆长轴平行的试样能明显提升洞室结构的承载力,但是岩爆现象更加剧烈,其碎屑特征主要表现为厚板状。

深部椭圆形洞室围岩冲击岩爆实验研究

利用自主研发的冲击岩爆设备,室内再现真三轴条件下含椭圆形洞室的冲击岩爆现象,实验结合应力采集、录像及声发射等实时测试系统分析椭圆形洞室冲击岩爆的演化过程、破坏应力特征值、碎屑特征、爆坑特征、速度场特征以及声发射特征。结果表明:椭圆形洞室冲击岩爆过程可以分为4个阶段:平静期,小颗粒弹射,块体剥落以及岩爆;扰动荷载的作用使围岩切向应力值迅速增加超越单轴抗压强度,促使围岩体产生剧烈岩爆现象;岩爆实验碎屑主要以大于5 mm的碎屑为主,碎屑形态主要为薄板状分布,与现场岩爆碎屑分布特征类似;爆坑对称的分布于洞室的左右两侧壁,位置与扰动方向垂直,爆坑形态表现出V字型;速度场在块体剥落和岩爆阶段呈现出先增加再降低的特征,在岩爆发生时刻达到峰值;声发射计数率与加载方向个数密切相关,计数率和累计计数在岩爆时刻迅速增加。随着加载方向个数的减少,声发射主频带逐渐变窄,主频带主要分布在100~200 kHz范围,岩爆时刻出现了40~70 kHz低频带的信号,同时也存在高频和超高频信号,证实岩爆破坏的复杂性。